（计算机软件与理论专业论文）无线传感器网络leach协议的分析与改进.pdf

东北大学硕士论文摘要 无线传感器网络l e a c h 协议的分析与改进 摘要 我军对地攻击弹着点检测评估的方法主要采用人工报靶方法，该方法人力消耗大， 时实性差，精度不高，已远远不能满足现代化科技练兵的实际需要。为适应提高我军现 代化、信息化训练水平的要求，我们实验小组设计了精确打击效能评估系统的模型，并 对它进行了可行性及先进性分析。 该方案主要利用无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 来实现对弹着点的 定位。无线传感器网络是一种全新的信息获取技术，是新兴的下一代传感器网络。由于 无线传感器网络是能量受限的网络，为达到实用化，需要延长网络的生命周期。其中， 网络层的设计对节省能耗具有重大意义。 本文介绍了精确打击效能系统的模型和无线传感器网络的发展、体系结构等，综述 了无线传感器网络的现有的路由协议、及其性能；从能量损耗模型出发分析两种传统协 议的优缺点，在此基础上分析了层次路由协议；并且详细介绍了层次路由协议的典型协 议l e a c h 协议，分析了l e a c h 协议在成簇方面的优缺点。l e a c h 采用随机的方 法选举簇头，这样可能会有簇头节点距离过于接近的闽题。换言之，簇头的选举有盲目 性的问题。本文针对这个问题进行了改进，并设计出一种新的算法l e a c h c o m b i n e ， 其核心思想是将过于接近的簇合并成一个簇。经过仿真实验，结果表明该协议能够在一 定程度上减少能耗，是对l e a c h 协议的一种很有意义的改进。 关键宇：无线传感器网络；l e a c h 协议：簇 i i 东北大学硕士论文 t h e a n a l y s i sa n di m p r o v e m e n t o fl e a c hf o rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k a b s t r a c t t h ee v a l u a t i o no fi m p a c tp o i n tf o rg r o u n da t t a c km a i n l ya d o p t st a r g e t r e p o r t i n gb ym a r l t h i sm e t h o dn e e d sm o r eh u m a nr e s o u r c eb u th a sp o o re f f e c ta n dl o wp r e c i s i o nw h i c hc a l l t s a t i s f yt h em o d e mt r a i n i n ga n ym o r e i no r d e rt oi m p r o v et h el e v e lo ft h em o d e r n i z a t i o na n d t h el e v e lo ft h ei n f o m a t i o n i z a t i o n , o u rl a bt e a md e s i g n sam o d e lo fe f f i c i e n c ye v a l u a t i o n s y s t e mf o rp r e c i s i o n a k a c k ，a n da n a l y z e st h ef e a s i b i l i t ya n dt h ep r o g r e s s i v e n e s s t h i ss o l u t i o nm a i n l yr e a l i z e st h el o c a l i z a t i o no fi m p a c tp o i n tt h r o u g hw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kw h e r es e l f - l o c a l i z a t i o no ft h en o d e si sp r e c o n d i t i o n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sa n e wi n f o r m a t i o na c q u i r e m e n tt e c h n o l o g y ，a n di san e wa n dad e v e l o p i n gn e x tg e n e r a t i o n s e n s o rn e t w o r k b e i n ga ne n e r g yc o n f i n e dn e t w o r k ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn e e d st op r o l o n g t h el i f ec i r c l ef o rp u t t i n gi nu s e t h ed e s i g no fn e t w o r kl a y e ri sv e r yi m p o r t a n tf o rs a v i n g e n e r g y i nt h i sp a p e r ，m ym a i nt a s k sa r e i sf o l l o w s ：i n t r o d u c et h em o d e lo f e v a l u a t i o ns y s t e mf o r p r e c i s i o n - a t t a c k ，s u l n n l a i r i z ed e v e l o p m e n ta n da r c h i t e c t u r eo fw i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k ， d e s c r i b et h ec u r r e n tp r o t o c o l so fw s n ，a n dg i v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e s ep r o t o c o l s t h e p a p e ra n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft w ot r a d i t i o n a lp r o t o c o l s ，a n db a s e do n w h i c ha n a l y z e dt h eh i e r a r c h i c a lr o u t i n gp r o t o c 0 1 i ta l s oi n t r o d u c e s ，l e a c h ，at y p i c a l h i e r a r c h i c a lr o u t i n gp r o t o c o li nd e t a i l ，a n da n a l y z e di t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f f o r m i n gc l u s t e r s l e a c hs e l e c tt h ec l u s t e rh e a d sr a n d o m l y ，w h i c hw i l lr e s u l ti nt h ed e g r a d e s i t u a t i o nt h a tt h ec l u s t e r sm a yb et o oc l o s et oe a c ho t h e r i nt h i sp a p e r ，t h ed e g r a d es i t u a t i o ni s i m p r o v e d ，a n dan e wp r o t o c o l ，l e a c h c o m b i n e ，w h i c hb a s e do nl e a c hi sb r o u g h t f o r w a r d t h en e wp r o t o c o li n c o r p o r a t e st h et e r r i b l ec l o s e dc l u s t e r s 、 i n le a c ho t h e r t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sp r o t o c o lc a l lr e d u c et h ee n e r g ye x p e n s et os o m ed e g r e e ， a n di ti sam e a n i n g f u li m p r o v e m e n tf o rl e a c h k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；l e a c hp r o t o c o l ；c l u s t e r i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位雨使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：徐挟嘿 日 期：2 - 0 口6 皋l 目 妒目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：徐长谊导师签名： 签字日期：2 0 0 6 露i 目i 呤日 签字日期： 东北大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 研究背景 传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱，它们分别完成对 被测量对象的信息提取、信息传输及信息处理。当计算机的运算速度突飞猛进，使数据 处理和计算能力迅速提高后，当存储器的容量无限增长，使海量存储终于得以实现时， 当网络的带宽一再提升，传输数据已变得轻而易举时，人们却发现，与这些技术的发展 不协调的是信息的采集和获取手段已大大落后了，于是，融合了传感器技术、信息处理 技术和网络通信技术的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 【1 】) 技术应运而生了。 目前，传感器正朝着集成化、微型化和智能化的方向发展。在实际应用中，很多数据采 集系统具有采集范围大、采集点众多、布线困难等特点，传统的传感器通过总线方式组 成网络，很难满足这种应用要求。无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信技 术组成的自组织网络。这种网络集数据的采集、传输和融合分析于一体，是信息技术的 一个新领域，具有广阔的应用前景。 无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，最早的代表性论述出现在1 9 9 9 年， 题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上提出了无线传 感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2 0 0 3 年，美国技术评论杂志论述未来新兴 十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国商业周刊未 来技术专版论述四大新技术时，无线传感器网络也列入其中。美国今日防务杂志更 认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变 革。2 0 0 4 年 i e e es p e c t r u m ) ) 杂志发表一期专集传感器的国度，论述无线传感器 的发展和可能的广泛应用。可以预计。无线传感器网络将对人们的社会生活和产业变革 带来极大的影响和产生巨大的推动。 无线传感器网络的应用前景非常广阔，能广泛应用于军事、空间探索和灾难拯救、 环境，健康、家庭和其他商业领域。以军事应用为例，无线传感器网络已经成为 c 4 i s r t ( c o m m a n d ，c o n t r o l ， c o m m u _ m c a t i 0 1 1 ， c o m p u t i n g ，i n t e l l i g e n c e ， s u r v e i l l a n c e ， r e c o n n a i s s a n c ea n dt a r g e t i n g ) 系统必不可少的一部分，c 4 i s r t 系统的目标是利用先进的 高科技技术，为未来的现代战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦 察和定位于一体的战场指挥系统，受到了军事发达国家的普遍重视。因为无线传感器网 络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某 些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是传统的传感器技术所无法 1 东北大学硕士论文 第一章绪论 比拟的，也正是这一点，使无线传感器网络非常适合应用在恶劣的战场环境中，包括监 控我军兵力、装备和物资；监视冲突区：侦察敌方地形和布防；定位攻击目标；评估损 失；侦察和探测核、生物和化学攻击。 由于无线传感器网络巨大的科学意义和应用价值，它已经引起了世界发达国家的学 术界、军事部门和工业界的极大关注。从2 0 0 1 年开始，d a r p a ( 美国国防部高级研究 计划署) 已把智能传感器网络作为一项最高优先发展的研究计划，出资近7 亿美元，在 众多大学和研究机构展开传感器网络的基础研究，以求获得五角大楼想要的所谓战区 “超视觉”数据1 2 】。2 0 0 2 年8 月，n s f ( 美国国家科学基金会) 资助4 0 0 0 万美元在u c l a 成立了传感器网络研究中心，联合周边大学展开“嵌入式智能传感器”的项目研究，以 求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测试于控制，这也是美国国情咨 文中有关n g i 最主要的远景计划之一。 1 2 课题的提出 无线传感器网络作为一种全新的技术，为科技工作者提出了许多具有挑战性的研究 课题，而路由协议1 3 】就是其中热点之一。与传统网络有很大的不同，所以无线传感器网 络中的路由协议很多方面与传统网络有很多不同，即便是与a d h o e 相比也有很多不同的 特征。 无线传感器网络具有很多优越性，易于部署，可以在人类活动困难，甚至无法活动 的地方用飞机或者其他工具部撒。但是，w s n 节点的微型化和有限的电池供电能力使 其在节点硬件的选择上受到很大限制，低功耗是其最主要的设计目标。而人工部署和为 所有网络节点安装g p s 接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，甚至在某 些场合可能根本无法实现，因此必须针对其密集性，节点的计算、存储和通信能力都有 限的特点设计传感器网络。 在传感器网络的设计过程中，可以围绕很多方面进行节能设计，其中，除了提高节 点的初始能量外，在网络的m a c 层h 】和路由层还可以作很大文章，目前关于传感器网 络的节能的研究正大量展开，并取得了很多成就。 本文将围绕传感器网络的l e a c h 7 问路由协议，进行分析、改进和优化。 1 3 研究内容与论文结构 无线传感器网络是一种新的信息获取和处理技术。它的出现改变了传统数据获取方 式，将在未来从根本上改变人们的生活。在很多领域，它有着传统技术不可比拟的优势， 同时也必将开辟出不少新颖而有价值的商业领域。无线传感器网络的路由研究极具研究 价值。本文着重归纳和总结了已有的无线传感器网络的路由协议研究，并在此基础上提 2 东北大学硕士论文第一章绪论 出了一种新的路由协议，期望能为未来研究提供一个良好的基础。 本论文的工作是围绕着无线传感器网络路由协议这课题进行的，研究内容作如下 安排。论文共分六章，第一章介绍了研究背景和意义，由此引出研究节点路由协议的必 要性；第二章概述了精确打击效能评估系统的模型；第三章简单介绍了无线传感器网络 的概况；第四章介绍了无线传感器网络的体系结构及特点，按照应用层、传输层、网络 层、数据链路层、物理层的顺序进行介绍。第五章首先介绍了层次路由协议的概况，然 后引入了一个简单的能量模型，并通过对传统的直接传输技术和m t e 路由技术的分析， 得出成簇算法的优越性。接着对l e a c h 协议进行详细的介绍和分析，并针对l e a c h 协议头节点选举的盲目性进行了改进，提出了l e a c h - - c o m b i n e 算法。第六章介绍了 新算法l e a c h - - c o m b i n e 与旧算法的对比仿真实验，仿真结果显示，该算法尽管实现 很简单，但却是对原l e a c h 协议的一种提高。第七章总结全文，并对未来的研究工作 做了进一步展望。 一3 - 东北大学硕士论文第二章精确打击效能评估系统 第二章精确打击效能评估系统 2 1 需求分析 为提高我军现代化作战水平，迎合现代化、科技化战争的需求，针对我军的现状系 统分析：目前，我军对地攻击弹着点检测评估主要采用人工报靶方法，即人工目视测量 判断或事后人工皮尺测量弹着点位置。目标命中率是投射兵器技术性能中最为关心的一 个问题，各种投射手及时准确掌握弹着点的位置对于校正投射过程中，提高投射水平是 非常必要的。然而，人工实时报靶人力消耗大，时效性差，精度差，效率低是显而易见 的，尤其是当多枚炸弹齐射时，目视检测基本上已无能为力，这种方法已远远不能满足 现代化练兵投射要求报靶系统及时、准确提供弹着点精确位置的实际需要。当炸弹种类 不同时，还存在炸弹类型的识别问题，人工更是无法满足要求。因此，研制投射爆炸位 置自动检测系统是非常必要的。 在这样的背景下，东北大学网络与通信中心与解放军某部合作，提出了精确打击效 能评估系统。该系统不仅能实时、真实准确地反映出我军的训练水平，为首长作战指挥 决策提供精确可靠的依据，而且对提高投射训练水平和我军的战斗力有着重要的意义。 2 1 1 系统功能 系统的主要功能如下： ( 1 ) 该系统应适应航空炸弹、火箭弹、空对地导弹及火炮等； ( 2 ) 对单点、多点齐射时弹着点进行实时报靶； ( 3 ) 针对每轮攻击的整体命中水平做出实时精确定位评估； ( 4 ) 计算各类炸弹、火箭弹等的弹着点误差，为下一轮投射训练提供打击误差的修正 参数； 2 1 2 技术指标 ( 1 ) 用途：航空武器对地目标攻击的弹着点自动检测实时报靶评估； ( 2 ) 适用范围：航空炸弹、航炮、航空火箭弹、空对地导弹( 触发爆炸后引起声波) 等； ( 3 ) 测精度：测量范围在5 0 0 x 5 0 0 m 2 内，误差小于1 0 m ，测量范围1 0 0 x l o o m2 ，误 差小于3 m ； ( 4 ) 系统相应时间：3 0 秒； 4 东北大学硕士论文第二章精确打击效能评估系统 ( 5 ) 两弹、多弹连投最小时间间隔：允许大于3 0 毫秒 2 2 方案可行性和先进性分析 2 2 1 被测对象特点 研制弹着点位置自动检测系统首先涉及到检测方案的选择问题，而检测方案将直接 取决于对象及检测技术自身的特点。对于炸弹这类被测现象，所采用的检测技术应具备 远距离感知及监测能力。因而，诸如声学、光学、微波等技术就成为首选技术。但具体 选用哪一种方法更为科学、实用，则应该视炸弹种类、现场环境及具体检测技术的特点 而定。 从检测角度出发，首先要考虑被测对象自身及其产生的那些影响检测过程的因素。 影响检测的因素主要有： ( 1 ) 炸弹自身物理特性的影响 不同炸弹的行速存在较大的区别，体积有大有小，n 汀当量不一。 ( 2 ) 炸弹爆炸所产生效果的影响 由于地理环境的特殊性决定了炸弹爆炸后将产生大量的灰尘、砾石云团，特别是连 续投弹时灰尘与砾石云团将会保持相当一段时间。 ( 3 ) 外界环境的影响 当地风沙较大，昼夜温差大，风力风向、温度、湿度的存在及其变化是影响测量误 差的关键因素。 2 2 2 检测方案的选择 红外线( 或可见光) 对炸弹爆炸十分敏感，这有利于测量。然而，为精确测定爆炸 位置，对于高速进入试验场地的炸弹而言，无论采用何种检测手段，都需要在不同方向 上布置若干传感器装置。如此一来，则几乎无法避免阳光对红外线传感器装置的于扰， 仅此一点就很难将其用于本项目。此外，灰尘、砾石云团以及雨后水蒸气对红外线有较 强的吸收作用，严重时红外线几乎无法通过。爆炸对红外线检测而言是以温度或云团形 式出现，这严重影响对爆炸位置的精确测量。而如果炸弹落地时不爆炸，那么红外方法 几乎无法进行检测。 微波( 或无线电波) 与激光技术都属于“主动式”检测方法，其原理是由发射装置 发射电磁波( 光实际上是电磁波) ，当其遇到炸弹后被反射回来，再由接收装置接收， 进而识别出被测对象的种类及位置。由于试验场地区域较小，炸弹落地速度快，采用像 雷达一样的扫描方法是不可行的，并且是在地表上方水平方向发射与接收电磁波。这种 5 东北大学硕士论文第二章精确打击效能评估系统 方法对尚未进入有效区域仍在空中飞行的炸弹则毫无预知能力。微波与激光速度太快， 对大量的近距离回波进行处理在技术上还有相当大的困难，检测系统的复杂程度及费用 是可想而知的。同样，传输途径中产生的干扰极大地影响了这两种方法的使用，灰尘及 砾石云团对激光有强烈的衰减作用，而水蒸气对微波传输的影响则更为强烈。此外，依 据反射回波对宏观形状并无较大差异的不同种类炸弹进行识别也是一个具有相当难度 的课题。 比较而言，采用声学方法更为可行。炸弹无论是飞行还是爆炸都将产生声波信号， 尤其是爆炸声波最有利于弹着点位置检测和炸弹种类的识别。利用声波检测声源位置在 无损测试中已有大量应用。根据声信号进行模式识别是军事上常用的方法，众所周知， 凭借人的听觉即能对炸弹飞行及爆炸声音进行识别，而采用科学方法及仪器做到这一点 完全是可行的。在本项目中，声学方法较其他方法的一大优势是，它能对飞行中的炸弹 进行声信号识别，从而给出爆炸前的预知信息，这有利于爆炸检测，同时还能判断出炸 弹落地后是否爆炸。当然，声学法也有其不足之处，声波速度将受到传输介质温度的影 响，声波传播同样受灰尘及砾石云团的影响，但这种现象是可以解决的。首先，声波虽 因灰尘等阻碍而发生散射及吸收等现象，其强度有所降低，但其主要传播方向并无所变 化，声频等本质特征经适当处理仍能提取出来，因而对炸弹种类识别并无大的影响，而 声学法中声传感器高灵敏度的检测能力又足以弥补其声强下降的影响。爆炸位置检测以 时差法( t d o a ) 为主要手段，介质温度产生的影响在很大程度上相互抵消。基于上述比 较，本项目选择声学法作为检测手段。 2 3 系统构成 根据需求以及对系统功能和技术指标的分析，本系统采用目前国内外处于研究热点 的无线传感器网络来实现。通过方案分析，我们决定采用声学定位法作为检测手段，即 利用声学传感器来采集数据，将各个声传感器接收到的炸弹声信号，声波传播时间数据， 同时考虑环境噪声、温度、湿度、风速、风向对爆炸声波影响因素，经无线传感器网络 中的网关节点，由无线局域网络将获得的数据传至指挥中心，主控计算机应用合理的数 学模型，计算出弹着点的精确位置及命中率，并能在大屏幕上显示出来，为各级指挥员 对整个作战训练过程进行科学、准确地评估，如图2 1 所示。 6 东北大学硕士论文第二章精确打击效能评估系统 图2 1 弹着点定位示意图 f i g 2 1 l o c a l i z a t i o no f t h ei m p a c tp o i n t 本系统由无线传感器网络、环境补偿子系统、无线局域网以及评估决策子系统组成， 系统结构图如图2 2 。 无线传感器网络：这个部分是由随机布置在靶场的声传感器节点组成的。各个传感 器节点分别采集炸弹爆炸的声音信号以及相应的爆炸时间，最后将声信号和爆炸时间以 及每个传感器的自身位置信息通过无线传感器网络内的多跳，传送到网关节点( s i n k n o d e ) ，由网关节点对数据作初步的处理和融合。 无线局域网：网关节点对数据进行初步处理后，通过无线局域网将接收到的数据实 时地传送给中心主机，进行弹着点定位。 环境补偿模块：该模块主要是检测环境参数，即温度、风速和风向，并将测量值通 过无线传输子系统传输给中心主机，由中心主机评估软件对声速进行修正补偿，以提高 系统检测精度。 评估决策子系统：该子系统是运行在主控计算机或上位机上，它将控制整个精确打 击效能评估系统的操作运行，用适当的软件开发工具，由信号处理子系统得到的每个传 感器接收到的炸弹爆炸声的时问，按合理的数学模型计算出弹着点坐标，并用图形方式 现实出来。可实时计算出炸弹的命中率，并将结果存入数据库，供以后查询。这一子系 统中最关键的是数学模型的建立和计算方法的优化，用最短的时间精确地得到计算结 果。该系统不可或缺，因为其它系统需要根据本系统的参数设置和指令执行规定的任务， 7 - 东北大学硕士论文第二章精确打击效能评估系统 其运行的结果也需要通过该系统体现出来，并作为综合评估部队水平的可靠依据。主控 与评估决策子系统设计针对系统的硬件实施方案及所需的数据以及各部门对数据的操 作处理需求进行。主控与评估决策子系统分为传感器布阵与数据获取、计算显示、数据 存储与统计查询、用户界面等几个部分。从功能上主要分为弹着点数据接收、投弹信息 录入、弹着点距离测算、投弹命中率计算、命中数据查询、命中率信息统计等。 图2 2 精确打击效能评估系统结构图 f i g 2 2b l o c kd i a g r a mo f e f f i c i e n c ye v a l u a t i o ns y s t e mf o rp r e c i s i o n - a t t a c k 本系统的流程图如图2 3 所示。 图2 3 精确打击效能评估系统流程图 f i 9 2 3 t h ef l o wo f t h ee f f i c i e n c ye v a l u a t i o ns y s t e mf o rp r e c i s e 8 东北大学硕士论文第二辛精确打击效能评估系统 2 4 研究内容 2 ，4 1 目标定位算法 在精确打击效能评估这个系统中，评估决策了系统是主要实现弹着点定位。即山信 号处理子系统得到的每个传感器各自接收到的炸弹爆炸声的时问，按合理的数学模型计 算出弹着点坐标，并用图形方式现实出来。这里主要是针对无线传感器网络目标定位算 法的研究。 2 4 2 自身定位算法 传感器节点自身定位i 。研是弹着点定位的前提和基础。因为当传感器节点随机分和 时，如果刁i 知道每个传感器的位置而感知的数据是没有意义的。传感器节点必须明确自 身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”，在本项目中指的就是收到 的炸弹爆炸声的时间是来自于哪个传感器，在主控计算机上利用节点的自身位置信息和 响应的爆炸时间以及温度、湿度、风向等数据信息，来实现弹着点的精确定位。 2 4 _ 3 路由协议 在传感器节点采集数据后，各个节点相互协作，将数据传输到基站。数据传输涉及 网络路由协议。 我在本项目中主要负责传感器网络路由协议的研究。在精确打击效能系统中， c j 络 层的路由协议应该具有下述几个特点： ( 1 ) 节省能耗。这是传感器网络实用化的基本要求。相对数据采集、数据计算两项功 能，节点在数据传输上所消耗的能量最大。在无线传感器网络中，由于节点的通信能力 和电源能量都有限，因此研究一项能量效率高的路由技术是研究重点之一。 ( 2 ) 数据传输延迟小。因为传感器网络在该系统中的主要作用在于采集目标点的位置 信息，该信息需要迅速反馈给投弹训练的飞行员，以便飞行员在下一次投弹时依据刚刚 获得的误差校正投弹参数。 ( 3 ) 生存能力强。因为靶场铺设传感器网络，除了因为能量耗尽而导致节点失效外， 还可能遭受炸弹的毁坏而引起节点失效，所以，应该允许部分节点失效且不能影响网络 的正常运行。此外，可能还有新节, t 5 d n a ，这要求网络能动态调整其拓扑结构。 在以下章节中，关于无线传感器的路由协议会有详细的阐述、分析和改进。 9 一 东北大学硕士i 仑文第二辛精确打击效能评估系统 2 5 应用前景 该精确打击效能评估系统的设计思想可在更广泛的领域得到应用。只要与声音相 关，都可以检i n c h 进行信息综合处理。 本系统的几个子系统是根据军事训练的特点而研制的，因此r u 以根据实际需要，将 部分或全部功能移植到其它地方。 ( 1 ) 目前，我军对地目标攻击弹着点检测评估主要采用人工检测方法，该方法测量时 效性差，不能实时、真实、准确地反应我军的实际训练水平，已远远不能满足现代化科 技练兵的实际需要，因此精确打击效能评估系统在我军的训练中有实际应用价值。 ( 2 ) 应用该系统有如下优点：该系统适于航空炸弹、火箭弹、空对地导弹及火炮等各 种弹种，不仅适用于空军，同时也适用于海军和陆军的军事训练，可为靶场节省人力， 减少靶场的人员编制，节省人员开支。 综上所述，从系统的先迸性和我军训练需求来看，该系统有着良好的效益和广泛的 应用前景。 1 0 第三辛无线传感器简介 第三章无线传感器简介 3 1 无线传感器网络概述 无线传感器网络是指在环境中布冠的许许多多个功能相同或不同的无线传感器节点 以无线通信方式组织成网络。每个传感器节点由数据采集模块f 传感器、a d 转换器) 、 数据处理和控制模块( 微处理器、存储器) 、通信模块( 无线收发器) 和供电模块f 电池、 d c d c 能量转换器) 等组成。作为数据采集者，数据采集模块采集周围环境的数据f 如温 度、湿度) ，通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站( b a s es t a t i o n ) 或网关节 点( s i n kn o d e ) ，借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器件，可以测量所在周边环 境中的热、声波、红外、声纳、雷达和地震波信号等信号，从而探测包括温度、湿度、 噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等等众多我们感兴趣的 物质现象；作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，将 其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或网关节点。传感器节点还有 些数据处理能力，用于把接收到的数据进行融合【9 ，“j ，减少网络内的数据传输量和提高 网络工作效率。无线传感器网络是一种全新的信息获取和信息处理模式。 3 2 无线传感器网络的研究进展 在传感器网络的研究中，节点能量的有限性制约了传感器网络的寿命，同时传感器 节点之间的无线链路也具有传输带宽低和容易出错的缺点，安全性也很难得到保证。为 此，设计易部署、功耗低、容错能力强、安全的传感器网络是当前研究的一个目标。 无线传感器网络的出现引起了世界各科研机构的高度重视。国外，尤其是美国通过 n s f 、d a r p a 等多种渠道投入巨资支持无线传感器网络技术的研究。1 9 7 8 年，d a r p a 在卡耐基梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组。工作组根据军方对军用侦察系 统的需求，研究传感器网络中的通信、计算问题以及传感器在无处不在的计算环境中的 使用问题。在9 0 年代中期以后，一些关于无线传感网络主要的研究计划包括： ( ) s e n s l t s e n s i t ( s e n s o ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) 是d a r p a 在1 9 9 8 年开展了的研究计划这计 划共有2 9 个研究项目，分配在2 5 个研究机构。s e n s t t 的研究主要集中在两个方向： 适应战场高度动态环境、可以快速进行任务分配和查询的反应式网络技术；二旨在发挥 网络化观测优势的协作信息处理技术。 ( 2 ) w i n s “1 东北大学硕士论文 第三章无线传感器简介 w i n s rw i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r s ) 是19 9 6 年由美剖i 划j 方部高级研究划局 ( d a r p a ) 资助，加州大学洛杉矶分校与罗克韦尔研究中心合作升展的研究项目。甘标是 结合m e m s 技术、信号处理技术、嵌入式计算和无线通信技术，构造大规模、复杂的 集成系统，完成物理世界与刚络【! ；f ：界的连接。 ( 3 ) s m a r td u s t 2 i s m a r t d u s t 项目是1 9 9 8 年由d a r p a i m t o m e m s 计划资助，u c b e r k e l e y 研发。目 标是结合m e m s 技术和集成电路技术，研制体积不超过一立方毫米，使用太阳能电池， 具有光通信能力的自治传感器节点。由于体积小、重量轻，该节点可以附着在其它物体 上，甚至在空气中浮动。 ( 4 ) b a m p s 。 p a m p s ( m i c r o - a d a p t i v em u l t i d o m a i np o w e r - a w a r es e n s o r s ) 项目是由m i t 研发，目 标是设计节能、自组织、可重构的无线传感器网络。研究人员设计了低功耗的b a m p s i ，g a m p s i i 传感器节点和以节能、可重构为主要目标的系统体系结构u 恰c h 。 p a m p s 它是m i t 的关于无线传感器网络的一个研究项目。在过去的几年里，低功 耗的无线传感器系统的取得了在商业和军事领域非常重要的应用，从安全设备、医疗监 控到机器诊断和生化检测。传感器网络极大地改进了对环境的监控。该项目的月标为实 现自适应的能量感知的分布式微传感器的开发一种框架。研究的重点在信号和能量调 节，通信以及协作等。她并不关注某个具体的应用，而是希望提供一个能量高效和可扩 展的传感器网络应用的解决方案。 ( 5 ) s e a w 曲 s e a w e b 项目是由o n r 支持，目标是研究基于水声通信的传感器网络的组网技术。 水声通信的带宽窄、速率低、时延抖动大等特点给通信协议的设计带来了很大的困难。 现有的仿真软件很难对水声信道时变、空变的特点进行建模。因此该项目在1 9 9 9 年到 2 0 0 4 年间进行了多次实验，取得了大量的现场数据，验证了水声传感器网络系统的可行 性。 ( 6 ) b i o m e d i c a ls e n s o r s 项目和e n v i r o n m e n t a ls e n s o r s 项目 b i o m e d i c a ls e n s o r 是在由美国国家科学基金( n s f ) 赞助的n e w s ( n e t w o r k i n g w i r e l e s ss e n s o r s ) 实验室展开，该实验室在无线传感器网络的协议方面开展了广泛的研 究，其具有代表性的传感器网络研究项目有：b i o m e d i c a ls e n s o r s 项目和e n v i r o m n e n t a l s e n s o r s 项日。 b i o m e d i c a ls e n s o r 项目的研究是需要开发一种| j 6 9 络协议，以支持在人造视网膜或表 皮移植体与外部的眼镜之间的数据和控制信息、的无线传输，在外部的眼镜上有一个内 置的摄像机用于记录和处理图像。该项目的目标是希望能够恢复视弱者和盲人的视觉。 一1 2 东北大学硕士论文 第三章无线传感器简介 e n v i r o n m e n t a ls e n s o r s 项目将利用传感器来检测如水中的大肠感菌的含量指标。这 些传感器的测量值通过分布的无线传感器网络聚集，并需要传送到基站以供进一步的分 析和保存等。研究者们的重点是在考虑到传感器节点有限的处理和存储能力的情况下， 如何确保这些信息能被鉴别并被安全地传输。该研究在公共海岸线的污染即时检测方面 有着很广的应用前景。 3 3 无线传感器网络应用 无线传感器网络以其自组织性、微型性、低成本、灵活性等优点，在军事、环境科 学、医疗健康、空间探索、商业应用等领域有着非常广泛的应用前景。 在军事领域，传感器网络将会成为现代化战场指挥系统不可或缺的一部分。因为传 感器网络由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因 为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是传统的传感器技术所 无法比拟的。也正是这一点，使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括监 控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损 失，侦察和探测核、生物和化学攻击。在战场，指挥员往往需要及时准确地了解部队、 武器装备和军用物资供给的情况，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点将 数据送至指挥所，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态 势图。在战争中，对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的，通过铺设传感器网络， 以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防；当然，也可以直接将传感器节点撒向敌方阵 地，在敌方还未来得及反应时迅速采集利于作战的信息。传感器网络也可以为火控和制 导系统提供准确的目标定位信息。 在环境科学方面，传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，比如，跟 踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。 例如在a l e r t 【1 4 】系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此 预测爆发山洪的可能性。类似地，传感器网络对森林火灾准确、及时地预报也应该是有 帮助的。此外，传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的 酸碱度和施肥状况等。 在医疗健康方面，如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压 监测设备，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。 还可以利用传感器网络长时间地采集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是 非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来太多的 不便。总之，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。 在空间探索方面，探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的 1 3 东北大学硕士论文第三章无线传感器简贪 传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。 在商业应用方面，自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特 点，这些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。例如，嵌入家具和 家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与i n t e m e t 连接在一起将会为我们提供更加 舒适、方便和具有人性化的智能家居环境；传感器网络还可以应用于城市的车辆监测和 跟踪系统中。此外，在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩县、工厂自动化 生产线等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。 3 4 传感器网络的特点与挑战 传感器网络有很多鲜明的特点。这些特点向我们提出了一系列挑战性问题： ( 1 ) 通信能力有限。传感器网络的传感器的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围 只有几十到几百米。传感器之间的通信频繁，经常导致通信失败。由于传感器网络更多 地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能 会长时间脱离网络，离线工作。 ( 2 ) 能量有限。传感器节点由电池供电，节点能量有限。网络中的传感器由于电源能 量的原因经常失效或废弃。电源能量约束是阻碍传感器网络应用的严重问题。商品化的 无线发送接收器电源远远不能满足传感器网络的需要。由于节点数量多，而且无线传感 器网络往往应用于人烟荒芜的地方或人们难以直接操作的地方，因此更换传感器节点电 池是不现实的。这决定了传感器节点生命和网络寿命的有限性。 ( 3 ) 计算能力有限。传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储器。这些传感 器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式处理器和存储器的 能力和容量有限，传感器的计算能力十分有限。 h 1 传感器数量大、分布范围广。网络中的传感器节点数量众多、密度高，单位面积 所拥有的网络节点数远大于传统的无线网络。此处，传感器网络可以分布在很广泛的地 理区域。传感器的数量与用户数量比通常也非常大。传感器数量大、分布广的特点使得 网络的维护十分困难甚至不可维护，传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。 f 5 ) 网络拓扑易变化。网络动态性强。传感器网络具有很强的动态性。由于节点能量 有限，节点易出故障，导致无线传感器网络拓扑信息变化快速。网络中的传感器、感知 对象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效。因 此，网络的拓扑结构动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化。 传感器网络必须具有可重构和自调整性。 ( 6 ) 网络节点之间采用自组织的通信方式。传感器节点是自主的、自治的，节点之问 以a dh o c 方式通信，不同于传统无线网络的中心控制通信模式。 1 4 东北大学硕士论文第三章无线传感器简介 ( 7 ) 网络应具备容错能力。传感器节点所处的环境通常是恶劣的( 如噪音多、风吹雨淋 等) ，导致节点易受干扰，易出错。这要求无线传感器网络应具有容错能力才会有应用 前景。 ( 8 ) 大规模分布式触发器。很多传感器网络需要对感知对象进行控制，如温度控制。 这样，很多传感器具有回控装置和控制软件。我们称回控装置和控制软件为触发器。 ( 9 ) 感知数据流巨大。传感器网络中的每个传感器通常都产生较大的流式数据，并具 有实时性。每个传感器仅仅具有有限的计算资源，难以处理巨大的实时数据流。我们需 要研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法。 3 5 无线传感器网络的性能的评价 传感器网络的性能直接影响其可用性，至关重要。如何评价一个传感器网络的性能 是一个需要